從美國LM-2500和LM-6000型燃氣輪機的發展歷程 看QC-185的未來發展
國產QC-185燃氣輪機是沈陽黎明發動機公司基于國產“太行”渦輪風扇發動機研制的一款航改燃氣輪機,采用三軸、后輸出、軸流式結構,額定功率17.78MW,最大輸出功率18.5MW,熱效率37.2%。該型燃氣輪機熱效率及可靠性高、靈活性強,可廣泛應用于常規發電、電力調峰、管道增壓及其它機械驅動領域。
國產QC-185型燃氣輪機
不妨對比一下QC-185和美國通用電氣公司(GE)于60年代研制的LM-2500燃氣輪機基本型的主要技術參數:
不難看出,從各方面來看,QC-185都和LM-2500很相似。LM-2500系列燃氣輪機是通用動力公司于20世紀60年代以TF39渦輪風扇發動機為基礎研制的一款航改式燃氣輪機。由于該型燃氣輪機性能優秀,所以美國與很多其他國家海軍均采購LM2500燃氣輪機作為作戰艦艇的動力裝置。
從20世紀70年代初到現在,LM2500系列燃氣輪機已經銷售了2000多臺(包括工業和艦船),占據了世界艦船燃氣輪機的絕大部分份額,堪稱一代名機。認真研究一下LM-2500的發展軌跡,可以對QC-185未來的發展有所啟示。
要說LM-2500,得從它的原型TF39渦輪風扇發動機談起。TF39是通用電氣公司為滿足遠程重型運輸機C-5的要求而研制的一種大涵道比渦輪風扇發動機。1959年,美國空軍提出“輕重量燃氣發生器”計劃,后改稱“先進渦輪燃氣發生器計劃”,第一次明確提出以核心機研制為牽引的航空發動機研制方針。1963年,在“先進渦輪燃氣發生器計劃”的支持下,通用電氣公司開發出第一臺“先進技術核心機”——GE1。在GE1的基礎上,又衍生出了三型驗證機——GE1/6、GE9和GE1/10。1965年4月,通用電氣公司以GE1/6驗證機贏得了C-5“銀河”戰略運輸機的動力裝置競標。1965年12月,基于GE1/6驗證機的新型TF39發動機首次試車,1967年6月開始試飛,到了1968年10月,TF39發動機便開始了生產型交付。值得一提的是,以GE1的另一個衍生型號——GE9為基礎,通用電氣公司后來研制出了F101中等涵道比加力渦扇發動機(用于戰略轟炸機B-1,后來用于F-14/15/16的F110系列渦扇發動機就是它的發展型)和CFM56大涵道比民用渦輪風扇發動機。
1968年4月,應美國海軍的要求,通用電氣公司開始為美國海軍研制新型燃氣輪機動力裝置,這就是后來的LM-2500。在此之前,通用電氣公司曾以J79渦輪噴氣發動機為基礎,為美國海軍成功研制了最大功率11MW的LM-1500燃氣輪機。為了有效的提高新型燃氣輪機的性能,通用電氣公司決定采用剛剛研制成功的TF39渦輪風扇發動機(這時TF39還未正式投產),作為研制LM-2500的基礎。
由于之前研制LM-1500已經積累了相關經驗,LM-2500的研制十分順利。
TF39渦輪風扇發動機采用1級風扇、16級高壓壓氣機、整體機匣、環形燃燒室、2級高壓渦輪和6級低壓渦輪,與TF39相比,LM-2500的主要改動,就是將原TF39的風扇去掉,將原先用于驅動風扇的低壓渦輪改為動力渦輪,其它沒有大的變化。1969年,通用電氣公司生產出第一臺LM2500樣機。次年的海試證明,LM-2500的輸出功率達到17.9MW,熱效率達到35.5%,完全滿足美國海軍的要求。隨后,通用電氣公司開始了LM-2500的量產。到70年代末,經過技術改進,LM-2500的最大輸出功率已經達到了23.3MW。
一代名機LM-2500
20世紀90年代初,美國海軍提出了將其“黃蜂”級兩棲攻擊艦的動力裝置從蒸汽輪機改為燃氣輪機的要求。黃蜂級原由兩臺總功率7萬馬力(51485千瓦)的蒸汽輪機推動,如果要改為燃氣輪機,就要求燃氣輪機的單機最大功率達到35MW以上。為滿足這個要求,通用電氣公司在LM-2500的壓氣機前增加了一個零級壓氣機,大幅提高了空氣流量,從而提高了熱效率和輸出功率——輸出功率達到29.8MW,熱效率達到了38%。通用電氣公司將這個功率增強型LM-2500命名為LM-2500+。
2005年,通用電氣公司在LM-2500+的基礎上再次進行改進,通過對壓氣機葉片進行修形,進一步提高空氣流量,同時壓氣機和渦輪葉片換用新型材料,以承受更高的溫度。通過這些改進措施,通用電氣公司將LM-2500的最大輸出功率提高到了33MW。通用電氣公司將這個“終極版”的功率增強型LM-2500命名為LM-2500+G4。
值得一提的是,1992年,通用電氣公司還在CF6渦輪風扇發動機(TF39的民用版)核心機的基礎上,加上了5級低壓壓氣機,再配上5級動力渦輪,從而獲得了最大輸出功率43MW的LM-6000燃氣輪機,熱效率41%,是這一功率等級最先進的燃氣輪機。
LM-6000型燃氣輪機結構圖。可以清楚的看到,它的高壓壓氣機部分和LM-2500是一樣的
縱觀LM-2500的發展史,我們可以看到,通用電氣以TF39的核心機為基礎,通過漸改,讓LM-2500的功率從17.9MW起步,連續邁上了23.3MW、30MW、33MW三個臺階。這個漸改過程,對于QC-185來說,具有重要的參考意義。具體的說,QC-185未來的發展,可以參考LM-2500和LM-6000的發展史,分這樣兩步走:
第一步,在現有QC-185的基礎上,參考從LM-2500到LM-2500+的做法,在壓氣機前增加一個零級壓氣機,提高進氣流量,再配上FT-8燃氣輪機的動力渦輪,從而將最大輸出功率提高到24MW。增加零級壓氣機可以采用太行發動機的風扇頂切,也可以重新設計,中國80年代在進行斯貝發動機改燃機工作時對這兩種方式都做過研究,有技術積累。FT-8燃氣輪機的最大輸出功率就是24MW,其動力渦輪由我國成都發動機公司研制,不存在任何技術困難。這樣的一款燃氣輪機,可以成為海軍目前使用的GT-25燃氣輪機的備份,也可以用于出口型軍艦。
第二步,參考LM-6000的做法,對QC-185的低壓壓氣機和低壓渦輪進行重新設計,用新設計的低壓渦輪既驅動低壓壓氣機,又帶動負載,輸出功率沖40MW。這樣的一款燃氣輪機既能用于未來的萬噸級大型驅逐艦、兩棲攻擊艦等大型軍艦,也可以用于燃氣電站,用途十分廣泛。
責任編輯:售電小陳
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